建構(gòu)思維模型,消除同分異構(gòu)體的易錯(cuò)點(diǎn)

趙均娜 王民會(huì)

同分異構(gòu)現(xiàn)象是有機(jī)物種類繁多的原因,同分異構(gòu)體概念貫穿于有機(jī)化學(xué)的始終．高考試題以有機(jī)物結(jié)構(gòu)為載體,考查同分異構(gòu)體數(shù)目和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式的書寫,體現(xiàn)了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng).解題過(guò)程中需要考生從復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題中提取要素進(jìn)行分析,建構(gòu)相應(yīng)的模型,特別是多官能團(tuán)同分異構(gòu)體數(shù)目的判斷和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式的書寫,如果學(xué)生思維無(wú)序,則可能導(dǎo)致重復(fù)書寫或漏寫．本文結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析,采取行之有效的方法,幫助同學(xué)們攻克這些易錯(cuò)點(diǎn)．

1 問(wèn)題轉(zhuǎn)化,回歸模型;思維有序,避免遺漏

多官能團(tuán)同分異構(gòu)體數(shù)目判斷是高考試題中的難點(diǎn),學(xué)生解題時(shí)習(xí)慣利用碳鏈異構(gòu)和官能團(tuán)位置異構(gòu)相互兼顧分析試題,往往出現(xiàn)考慮不周,遺漏數(shù)目且分析時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題,其本質(zhì)原因是學(xué)生無(wú)法兼顧碳鏈異構(gòu)和官能團(tuán)位置異構(gòu),即思維無(wú)序,沒(méi)有形成穩(wěn)固簡(jiǎn)捷的思維模型．這就需要我們首先圍繞題干信息,分析同分異構(gòu)體之間的結(jié)構(gòu)特征,找出同分異構(gòu)體中含有的官能團(tuán)(或取代基),構(gòu)建多官能團(tuán)(取代基)同分異構(gòu)體數(shù)目判斷模型,使解題步驟化．

多官能團(tuán)(取代基)同分異構(gòu)體數(shù)目判斷步驟如下.

第1步:書寫碳鏈異構(gòu).

第2步:官能團(tuán)1位置異構(gòu) (先確定限制條件多的官能團(tuán),如碳碳雙鍵、—COOH、—CHO等,可以減少碳鏈(或碳環(huán))的個(gè)數(shù),減輕思維負(fù)擔(dān)).

第3步:官能團(tuán)2位置異構(gòu).

……

例1(2019年天津卷,節(jié)選) 化合物B(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3C≡CCOOC(CH3)3)滿足以下條件的同分異構(gòu)體(不考慮手性異構(gòu))數(shù)目為_(kāi)_______．

① 分子中含有碳碳三鍵和乙酯基(—COOCH2CH3).

② 分子中有連續(xù)4個(gè)碳原子在一條直線上,寫出其中碳碳三鍵和乙酯基直接相連的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式________．

解析 由題意可知,化合物B分子式為C8H12O2,同分異構(gòu)體分子中含有的官能團(tuán)和取代基為碳碳三鍵和—COOCH2CH3,排除取代基中的碳原子,主鏈還余5個(gè)碳原子．根據(jù)多官能團(tuán)(取代基)同分異構(gòu)體數(shù)目判斷模型,判斷步驟如下.

第1步:碳鏈異構(gòu),有3種情況.

第2步:碳碳三鍵位置異構(gòu),有3種情況.

第3步:取代基—COOCH2CH3位置異構(gòu),根據(jù)題意,要求分子中有連續(xù)4個(gè)碳原子在一條直線上(即碳碳三鍵兩端連接碳原子)，有以下幾種情況.

故滿足條件的B的同分異構(gòu)體有5種,其中碳碳三鍵和乙酯基直接相連的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為

第1步:寫碳鏈:CH3—C—C—C—C—CH3.

第2步:碳碳三鍵位置異構(gòu),有2種情況.

第4步: —O—(用↑表示)位置異構(gòu)如下.

綜上,符合條件的X的同分異構(gòu)體共有6種,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下(學(xué)生任意寫3種即可).

2 排除等位碳,避免重復(fù)判斷

有機(jī)物結(jié)構(gòu)式中,處于對(duì)稱位置(軸對(duì)稱和中心對(duì)稱)的碳原子叫作等位碳．學(xué)生在判斷同分異構(gòu)體數(shù)目時(shí),常常多于實(shí)際值,原因是加官能團(tuán)時(shí)沒(méi)有正確排除等位碳,導(dǎo)致重復(fù)．通常有2種情況:1)加官能團(tuán)時(shí)沒(méi)有先考慮等位碳;2) 2個(gè)官能團(tuán)相同時(shí),加第2個(gè)官能團(tuán)前,沒(méi)有將已經(jīng)連過(guò)取代基的碳原子及與其等位的碳原子排除．

解析 由題意可知F的分子式為C6H10O4, 7.3 g F的物質(zhì)的量為0.05 mol, 0.05 mol F與足量飽和NaHCO3溶液反應(yīng)可釋放出2.24 L二氧化碳(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，可知1個(gè)F分子中含2個(gè)—COOH,剩余C4H8,此時(shí)就可以把問(wèn)題轉(zhuǎn)化成“丁烷的二取代物有幾種(2個(gè)取代基相同)”．根據(jù)多官能團(tuán)(取代基)同分異構(gòu)體數(shù)目判斷模型,判斷步驟如下.

第1步:碳鏈異構(gòu),有2種情況:

第2步:第1個(gè)—COOH(用—A表示)位置異構(gòu)

第3步:另一個(gè)—COOH(用↓表示)位置異構(gòu),由于2個(gè)取代基相同,在向第②和第④ 2個(gè)碳鏈上添加—COOH時(shí),要先將已經(jīng)連過(guò)—COOH的碳原子以及與其等位的碳原子圈出來(lái)排除,如圖1所示.

圖1

綜上,符合條件的F的同分異構(gòu)體共有9種．

第1步:第1個(gè)—Cl位置異構(gòu),先排除等位碳,再加—Cl,有2種情況,如下所示.

第2步:另一個(gè)—Cl位置異構(gòu)(用序號(hào)表示),結(jié)構(gòu)乙在加—Cl前,要先將已經(jīng)連過(guò)—Cl的碳原子以及和其等位的碳原子圈出來(lái)排除．如下所示.

綜上所述,萘的二氯代物有10種．

3 巧用核磁共振氫譜,突破同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式的書寫

單苯環(huán)同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式的書寫歷來(lái)是高考有機(jī)推斷題中的熱點(diǎn),該題往往融合了核磁共振氫譜、對(duì)稱性分析等信息,題目綜合性強(qiáng),有些學(xué)生感到無(wú)從下手,其主要原因還是思維無(wú)序，可以構(gòu)建此類題型的解題模型進(jìn)行分析．

第1步:根據(jù)分子式和官能團(tuán)的特征反應(yīng)確定有機(jī)物中含有的官能團(tuán)．

第2步:根據(jù)核磁共振氫譜數(shù)據(jù),確定不同峰值對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)片段(或官能團(tuán))的種類和數(shù)目,例如，峰面積為3的倍數(shù)時(shí),可能的結(jié)構(gòu)片段為—CH3．

第3步:根據(jù)單苯環(huán)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,確定有機(jī)物的最終結(jié)構(gòu)．

①含有苯環(huán)；

②有三種不同化學(xué)環(huán)境的氫，個(gè)數(shù)比為6∶2∶1；

③1 mol X與足量金屬Na反應(yīng)可生成2 g H2．

解析 第1步:由X與D互為同分異構(gòu)體、D分子式為C8H9O2I 可知，X中含有1個(gè)—I;由條件①可知支鏈中含2個(gè)C原子;由條件③ 可知X 中含有2個(gè)—OH．

第2步:由條件②可知，X分子具有對(duì)稱性,且含2個(gè)—CH3．

① 能發(fā)生銀鏡反應(yīng);

② 核磁共振氫譜有三組峰,且峰面積比為3∶2∶1．

解析 第1步:由E的二氯代物分子式可知,化合物結(jié)構(gòu)中含2個(gè)—Cl;由“芳香化合物”和條件①可知，結(jié)構(gòu)中含有1個(gè)苯環(huán)和1個(gè)—CHO．

第2步:由條件②可知，分子具有對(duì)稱性,且含有1個(gè)—CH3．

第3步:根據(jù)對(duì)稱性可得出1個(gè)—CHO,1個(gè)—CH3,2個(gè)—Cl都與苯環(huán)直接相連,滿足條件的芳香化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為

總之,我們?cè)谂袛喽喙倌軋F(tuán)同分異構(gòu)體數(shù)目及書寫同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式時(shí),既要學(xué)會(huì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化,回歸模型,又要做到思維有序,避免判斷遺漏,特別要注意排除等位碳,避免重復(fù)判斷,還要學(xué)會(huì)利用核磁共振氫譜的信息和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,正確書寫出有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式．